专利名称：Sar图像序列中的永久散射体的识别和分析的制作方法
技术领域：
本发明涉及数字合成孔径雷达(SAR)图像序列(series of SARimages)—中的永 久散射体(p 的识别和分析的新方法。特别地，在下文中，为了描述简单且不丧失一般性的原因，将具体参考从空运SAR 系统获得的SAR图像来描述本发明，仍显而易见的是，还可能将本发明应用于从飞机上的 或基于地面的SAR系统获得的SAR图像。
背景技术：
众所周知，重复轨道卫星合成孔径雷达(SAR)干涉测量法是一种非常有效的测量 由于下沉、塌方、地震和火山现象而产生的地形位移的技术，如在以下文章中看到的《合 成孔径雷达干涉测量法》，2000年3月，IEEE学报第88卷第3章第333至382页，作者是 P. A. Rosen、S. Hens ley、I. R. Joughin、F. K. Li、S. N. Madsen、Ε. Rodriguez、R. Μ. Goldstein ； 以及，《主题评论合成孔径雷达干涉测量法》，1998年，逆问题第14卷第Rl至肪4页，作者 是 R. Baml er、P. Hartl0特别地，重复轨道卫星SAR干涉测量法以通过安装在卫星上的(或安装在飞机上 的或基于地面的)雷达对地球表面的连续感测为基�。隼状镉玫鼻暗挠钪娣尚衅魃系� 传感器以一米或几米级别的空间分辨率对地球表面成像(空间分辨率比飞机上的或基于 地面的雷达小)。来自每个分辨单元内的所有源的反向散射信号的组合，产生与SAR图像中 的分辨单元或像素相关的幅度和相位。具体地，可将与分辨单元内的地形部分相关的SAR图像中的单个像素的相位模拟 成四个成分的和第一成分队是与给定分辨单元中的散射机构相关的相位；第二成分队与传感器和分辨单元之间的距离r相关，并与传感器的波长λ相关， 将第二成分(pr定义为(pr=4Tir/X;第三成分(Pa是与由大气引入的延迟相关的相位；并且第四成分φη是来自模型的残差，包括相位噪声。在第一种情况中，如果在不同时间获得两个SAR图像并具有稍微不同的视角，那 么仅考虑与散射相关的相位成分CPs和传感器分辨单元距离相位成分队，并假设分辨单元在 两次探测中的散射行为相同，两个配准图像的相位差(所谓的“干涉测量相位”)取决于分 辨单元的升高及其位移，因为在所述相位差中去除了由于散射体而产生的项Cps。数字升高 �？�(DEM)可用来从干涉测量相位确定并去除地形升高的作用，并由此获得地形位移。原则上，差分干涉测量法可测量几毫米的地形位移。然而，不同的误差源会影响测 量的精度和可行性，可将这些误差源分成两组主要由于在不同探测时获得的SAR图像之 间的去相关而产生的噪声，以及，由于轨道数据的有限精度和在处理中使用的DEM的有限 精度并由于在不同探测日的不同大气条件而产生的系统误差。特别地，去相关噪声使得仅可能在很少的几组点(叫做永久散射体(PS))上进行有效的干涉测量，永久散射体在不同的探测时保持相关。PS典型地相当于这样的分辨单 元，在此分辨单元中，信号的主要成分来自单个点状的在探测时的过程中保持稳定的散射 机构。在存在建筑物、基础设施、岩石和裸露土地时，这些散射机构更频繁。PS的识别以及然后从一系列SAR探测中查找其运动(与其精确升高一起)，是永 久散射体干涉测量法(PSI)的关键问题。一种已知的方法(叫做永久散射体方法，并在以下文献中公开《SAR干涉测量法 中的永久散射体》，2001年1月，IEEE地球科学遥感翻译版第39卷第1章第8至20页，作 者是A. Ferretti, C. Prati和F. Rocca ；以及《在差分SAR干涉测量法中使用永久散射体的 非线性沉陷速度评估》，2000年9月，IEEE地球科学遥感翻译版第38卷第2202至2212页， 作者是A. Ferretti, C. Prati和F. Rocca)已经介绍了一种新的设计SAR干涉测量法的方 式，其理念是，将一长串全分辨率SAR图像中的幅度和相位离差减到最小。特别地，永久散射体方法要求识别PS的预备组，根据其信号幅度(S卩，反射率的模 数)的不同探测时的稳定性来选择这些PS。根据相位模型来分析这些点，以确定PS位移速 度(假设是恒定的，位移随时间线性地变化)和高度(或者，更精确地，相对于用来使相位 变平的DEM的高度校正)，并改进PS的选择。然后，从PS相位减去这些速度和高度成分，以确定相位残差，其包含大气成分、与 时间非线性的位移，以及其它非模拟的成分(包括噪声)。然后，可通过使用其空间相关(并暂时不相关)的特性，过滤掉大气相位成分。然后，通过局部的或整体的(基于模型的)插入和配合，在所选择的PS上计算的 大气相位成分可用来估计所有点中的大气相位成分。可从相关图像减去这些估值，可再次处理这些图像以寻找更好的评估和位移速度 以及新的PS。此过程可以是重复几次的，以增加所发现的PS的数量。在此方法中，校准数据是基本的，用辐射测量方式校准，并从相位的角度校准。特 别地，辐射测量校准是分析信号幅度离差所必需的，而校准相位意味着去除轨道和大气相 位成分，不仅是分析所必需的步骤，而且是识别所有可能的PS所必需的步骤。
发明内容
上述方法的一个主要缺点是，最终结果对在第一处理步骤中获得的测量的密度和 连接性敏感，并对在这些第一处理步骤中出现的处理误差敏感，在存在隔离的或弱的永久 散射体的大区域中，更尤其可能出现处理误差。此外，可能发生在存在隔离的或弱的永久散射体的大区域中，未获得初步测量。此外，上述方法需要用于大气后生物(atmospheric artifact)的模型和变形历 史，或连续改进。那么，本发明的目的是，提供一种能够至少部分地克服上述缺点的永久散射体识 别方法。用本发明实现此目的，因为，其涉及一种识别永久散射体的方法，如在所附权利要 求中定义的。特别地，本发明涉及一种识别地球表面的区域中的数字合成孔径雷达(SAR)图像中的永久散射体的方法，在相应的时间获得每个图像。该方法包括，处理数字合成孔径雷达 (SAR)图像，以产生数字广义差分干涉图。该方法的特征在于，进一步包括，分析数字广义差分干涉图中的多对像素的特性， 以识别各个像素成像永久散射体。优选地，分析数字广义差分干涉图中的多对像素的特性包括，分析数字广义差分 干涉图中的相同对像素的特性。
为了更好地理解本发明，现在将参考附图(并非均按比例)描述优选实施方式，仅 认为这些实施方式是实例，并且不将其解释为是限制性的，其中图1示意性地示出了根据本发明被识别为永久散射体(PS)或非PS的点。
具体实施例方式提出以下讨论，以使得本领域的技术人员能够制造和使用本发明。对于本领域的 技术人员来说，在不背离如所要求的本发明的范围的前提下，对这些实施方式的各种修改 将是轻松地显而易见的。因此，本发明并非旨在限制所示实施方式，而是符合与在这里公开并在所附权利 要求中定义的原理和特征一致的最宽的范围。此外，通过软件程序产品来执行本发明，可将软件程序产品装载在电子处理器的 存储器中，并且其包括，当软件程序产品在电子处理器上运行时，用于执行在下文中描述的 永久散射体识别方法的软件代码部分。在下文中，为了简单地描述且不丧失一般性的原因，将把术语“点”和“像素”用作 本质上可互换的术语，并且，对于由像素成像的永久散射体(或多个由像素成像的永久散 射体)并对于使永久散射体成像的像素(或多个使永久散射体成像的像素)，将均使用表达 方式“永久散射体”(或PS)。特别地，当将在下文中使用表达方式“永久散射体”(或PQ时，在将使用此表达方 式的相应上下文的基础上，两个上述含义之间的与其相关的正确含义将是毫无疑问的可以 理解的。通常，根据本发明，识别并分析永久散射体的方法(申请人将其叫做永久散射体 对(PSP)方法)仅使用多对点和SAR信号的非常一般的模型的相关特性，允许更好地识别 所有永久散射体(P (同样，在其不是非常密集的区域中，或特征在于随时间的非线性运 动)，并允许查找其运动和精确的高度(并由此还查找更好的定位)。特别地，PSP方法不需要大气后生物的模型，也不需要SAR图像的预校准，并且，其 相对于在预备阶段中发现的PS的密度来说是具有鲁棒性的。PSP方法的中心思想是，识别并分析仅与多对点(弧)一起起作用的PS。因为空间相关的干扰作用以相似的方式在两个附近的点中发出信号，所以，与相 邻点之间的相位差一起起作用去除了大气和轨道相位成分，因此不需要进行数据预校准。具体地，根据PSP方法，处理一系列N个配准(co-registering) SAR探测，即N个 配准数字SAR图像，N > 1，以相对于原版，或参考、图像产生广义差分干涉图。
特别地，根据本发明，将广义差分干涉图定义为原版(或参考)图像和配准SAR图 像之间的差分干涉图，其中，原版图像可以是在N个配准SAR图像或合成参考图像中选择的 (实像)，当原版图像是实像时，该定义或者相当于标准的差分干涉图的定义，或者还可包 括原版图像关于其本身的“同样零相位干涉图”的可能性。在下文中，为了简单地描述且不丧失一般性的原因，将把术语“广义差分干涉图”、 “差分干涉图，，和“干涉图，，用作本质上可互换的表达方式。每个干涉图具有相关的垂直(空间)基线BJ S卩，垂直于视线的成分)和相对于 原版图像的时差(或时间基线)Ti,其中，i表示识别第i个所考虑的干涉图的指数。然后，让δφ^是两个点之间的相位差，BP,由连接其的弧a识别的第i个所考虑的 干涉图中的像素。所述弧a与高度差Sha(如果用DEM使相位变平，那么是残余的高度差) 相关，并与两个点之间的速度差δ va(速度意味着沿着视线的速度)相关，并且，可将Scpiy模 拟为
权利要求
1.一种识别地球表面区域的数字合成孔径雷达(SAR)图像中的永久散射体的方法，每 个所述数字合成孔径雷达(SAR)图像在相应的时间获得；所述方法包括处理所述数字合成孔径雷达(SAR)图像，以产生数字广义差分干涉图； 所述方法的特征在于，进一步包括分析所述数字广义差分干涉图中的多对像素的特性，以识别各个像素成像永久散射体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，分析数字广义差分干涉图中的多对像素的特性 包括分析所述数字广义差分干涉图中的相同的多对像素的特性。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，处理数字合成孔径雷达(SAR)图像以产生数 字广义差分干涉图包括配准所述数字合成孔径雷达(SAR)图像；在所述配准的数字合成孔径雷达(SAR)图像中选择参考图像；并且 处理所述配准的数字合成孔径雷达(SAR)图像，以产生所述数字广义差分干涉图，所 述数字广义差分干涉图包括仅在所处理的参考图像的基础上产生的一同样零相位数字差 分干涉图、以及均在所处理的参考图像的基础上和在相应处理的配准的数字合成孔径雷达 (SAR)图像的基础上产生的多个数字差分干涉图。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，处理所述数字合成孔径雷达(SAR)图像以产 生数字广义差分干涉图包括配准数字合成孔径雷达(SAR)图像；并且处理所述配准的数字合成孔径雷达(SAR)图像，以产生所述数字广义差分干涉图，每 个所述数字广义差分干涉图均在相应处理的配准的数字合成孔径雷达(SAR)图像的基础 上和在合成参考图像的基础上产生。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，分析所述数字广义差分干涉图中的 多对像素的特性包括对于所述多对像素，确定与时间相干性相关的值(Ya)；并且 在所确定的与时间相干性相关的值(Ya)的基础上识别所述各个像素。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，识别所述各个像素包括检测如果对于包括考虑的像素的一对像素，所确定的所述与时间相干性相关的值 (Ya)符合第一检测标准，那么所述考虑的像素使永久散射体成像。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，检测所考虑的像素使永久散射体成像包括 检测如果对于包括所述考虑的像素的所述一对像素，所确定的所述与时间相干性相关的值(Ya)高于第一检测阈值，那么所述考虑的像素使永久散射体成像。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，识别所述各个像素包括检测如果对于包括考虑的像素的多对像素，所确定的所述与时间相干性相关的值 (Ya)符合第二检测标准，那么所述考虑的像素使永久散射体成像。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，检测所考虑的像素使永久散射体成像包括 检测如果对于包括所述考虑的像素的所述多对像素，确定的所述与时间相干性相关的值(Ya)包括多个大于相应的第一检测阈值的与时间相干性相关的值(Ya)，那么所述考 虑的像素使永久散射体成像，其中所述第一检测阈值的数值大于第二检测阈值。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的方法，进一步包括 根据给定的选择标准，在数字广义差分干涉图中选择像素的初始组； 确定与时间相干性相关的值(Ya)包括 对属于所述初始组的多对像素，确定所述与时间相干性相关的值(Ya)； 识别所述各个像素进一步包括 对属于所述初始组的所述多对像素，在所确定的所述与时间相干性相关的值(Ya)的 基础上，在属于所述初始组的像素中识别所述各个像素；以及 用在属于所述初始组的像素中识别的各个像素，形成所识别的像素组。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，确定与时间相干性相关的值(Ya)进一步包括 对给定的多对像素，确定所述与时间相干性相关的值(Ya)，所述给定的多对中的每 对由属于所述所识别的像素组的相应的第一像素和不属于所述所识别的像素组的相应的 第二像素组成；识别所述各个像素进一步包括 在对于所述给定的多对确定所述与时间相干性相关的值(Ya)的基础上，在所述给定 的多对的第二像素中，识别所述各个像素；以及 将在所述给定的多对像素的第二像素中识别的各个像素增加到所述所识别的像素组。
12.根据权利要求5至11中任一项所述的方法，其中，数字广义差分干涉图中的像素表 示干涉测量相位，并且，其中，确定与时间相干性相关的值(Ya)包括 在数字广义差分干涉图中的一对考虑的像素的干涉测量相位的基础上，对数字广义 差分干涉图中的所述一对考虑的像素，确定与时间相干性相关的值(Ya)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，对一对考虑的像素确定与时间相干性相关的 值(Ya)包括 计算与相位相关的差分值(δφ”)，所述差分值表示数字广义差分干涉图中的所述考 虑的像素的干涉测量相位之间的差；并且 在所计算的与相位相关的差分值(δφ&,D的基础上，确定所述与时间相干性相关的值 (Ya) °
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在所计算的与相位相关的差分值(δφ”)的基 础上确定所述与时间相干性相关的值(Ya)包括 进一步在与高度相关的差分值(Sha)的基础上和在与速度相关的差分值(Sva)的 基础上确定所述与时间相干性相关的值(Ya)，所述与高度相关的差分值(Sha)表示地球 表面上的两个点的相应高度之间的差，所述两个点通过所述考虑的像素成像，所述与速度 相关的差分值(Sva)表示地球表面上的两个点的相应位移速度之间的差。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，根据以下定义确定对于所述一对考虑的像素 所确定的所述与时间相干性相关的值(Ya)其中，a表示所述一对考虑的像素，Ya表示所述与时间相干性相关的值，3\表示所述 与速度相关的差分值，δ ha表示所述与高度相关的差分值，i表示在所述数字广义差分干涉 图中识别相应第i个考虑的数字广义差分干涉图的索引，wa, i表示根据给定的加权标准所 选择的给定的权重，并且，ε a,i表示通过转换以下等式来获得的量
16.根据权利要求15所述的方法，其中，由Waa表示的给定的权重取决于数字合成孔径 雷达(SAR)图像中的幅度值。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，进一步包括 在与高度相关的差分值(Sha)的基础上确定与高度相关的值，在所述与高度相关的 差分值的基础上已对所述所识别的各个像素的对确定了与时间相干性相关的值(Y a)，每 个与高度相关的值和相应的所识别的各个像素相关，并表示地球表面上的永久散射体的高 度，所述永久散射体通过相应的所识别的各个像素成像；并且 在与速度相关的差分值(S va)的基础上确定与恒速相关的值，在所述与速度相关的 差分值的基础上已对所述所识别的各个像素的对确定了与时间相干性相关的值(Y a)，每 个与恒速相关的值和相应的所识别的各个像素相关，并表示地球表面上的永久散射体的位 移恒速，所述永久散射体通过相应的所识别的各个像素成像。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括 在所述所识别的各个像素的干涉测量相位的基础上、在所确定的与高度相关的值 的基础上、并在所确定的与恒速相关的值的基础上，对所述所识别的各个像素计算残余相 位； 展开所计算的残余相位； 从所计算的残余相位过滤掉大气后生物，以获得通过所述所识别的各个像素成像的 永久散射体的位移的与时间成非线性的分量；并且 确定通过在所确定的与恒速相关的值的基础上以及在位移的与时间成非线性的分量 的基础上所识别的各个像素而成像的永久散射体的位移。
19.一种处理设备，被构造为执行根据上述权利要求中任一项所述的用于识别永久散 射体的方法。
20.一种软件程序产品，包括软件指令，所述软件指令导致可编程处理设备被构造为执 行根据权利要求1至18中任一项所述的用于识别永久散射体的方法。
全文摘要
本发明公开的是一种用于识别地球表面区域的数字合成孔径雷达(SAR)图像中的永久散射体的方法，在相应的时间获得每个图像。该方法包括处理所述数字合成孔径雷达(SAR)图像，以产生数字广义差分干涉图。该方法的特征在于进一步包括分析所述数字广义差分干涉图中的多对像素的特性，以识别各个像素成像永久散射体。
文档编号G01S13/90GK102144174SQ200980134438
公开日2011年8月3日 申请日期2009年7月6日 优先权日2008年7月4日
发明者法比奥·马尔瓦罗萨, 萨尔瓦托雷·法尔科, 费代里科·米纳蒂, 马里奥·科斯坦蒂尼 申请人:电视广播有限公司
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